在强度较大的外激励作用下,大部分工程结构都表现出非线性,如基础隔震结构、阻尼器减振结构、损伤结构、高层以及超高层建筑结构等。基础隔震结构在重大基础设施和工程结构地震反应控制中得到了广泛的应用。高耸结构以及斜拉桥结构较柔且阻尼小,风振响应较大,需通过安装阻尼器达到减振的目的。工程结构在强烈的外激励作用下会发生严重损坏,如钢筋屈服、混凝土开裂或压碎,此时结构的非线性构件的恢复力与变形之间的关系为非线性状态。从结构安全性、可靠度以及经济适用耐久性方面考虑,准确地掌握这些特殊结构的非线性特性,不仅能够准确反映其力学性能,还能为其在运营、维护、修复等使用全过程中的力学性能、损伤程度以及使用寿命评估等提供切实可靠的依据。目前对非线性系统的研究的主要局限性在于:1)需要已知非线性模型或需将非线性模型近似展开;2)对传感器的位置与数量要求较高。在实际工程中,系统的非线性模型非常复杂,难以用理论模型对其进行准确描述。从工程经济方面考虑,应在保证识别效果良好的前提下尽量减少传感器的使用;此外,考虑到安装在关键部位(如隔震层、阻尼器安装层、结构损伤层)的传感器可能会损坏失效,此时需在没有这些部位的响应数据下进行非线性特性识别。本文在总结目前非线性系统识别的研究进展的基础上,研究基础隔震结构、阻尼器减振结构、损伤结构、大型高层建筑结构的无模型非线性特性的识别方法,仅需观测部分自由度的响应,并且克服了关键部位(隔震层、阻尼器安装层、结构损伤层)需要观测加速度响应的局限性。本论文第一章对目前非线性系统识别的研究进展进行了总结;简述了本论文基于的卡尔曼滤波系列方法,包括:传统卡尔曼滤波方法(KF),传统扩展卡尔曼滤波方法(EKF),未知激励下的扩展卡尔曼滤波方法(EKF-UI),未知激励下的卡尔曼滤波方法(KF-UI),广义未知激励下的卡尔曼滤波方法(GKF-UI),广义未知激励下的扩展卡尔曼滤波方法(GEKF-UI)。本论文第二章提出基础隔震支座的无模型非线性特性的识别方法,基本思路如下:首先,在强度较低的地面运动下,整个体系处于线性状态,运用扩展卡尔曼滤波方法识别隔震支座的线性刚度、粘滞阻尼参数以及上部结构的线性刚度、粘性阻尼。然后,在高强度的地面运动下,隔震支座进入非线性状态,上部结构仍处于线性状态,将隔震支座产生的塑性恢复力视为施加在整体线性系统上的未知“附加虚拟力”,运用广义未知激励下的卡尔曼滤波方法识别该未知力;识别的塑性恢复力与线弹性恢复力之和即为隔震支座在非线性状态下的总恢复力。所提出的方法仅观测部分自由度的响应,且在非线性力作用位置观测或不观测加速度响应的条件下都适用。本论文第三章提出阻尼器减振装置的无模型非线性特性的识别方法。主要思想是:首先,在强度较低的外部激励作用下,装有阻尼器的结构,其整个体系处于线性状态,运用扩展卡尔曼滤波方法或未知激励下的扩展卡尔曼滤波方法识别结构本身的线性刚度、瑞利阻尼系数以及阻尼器的线性刚度、粘滞阻尼。然后,在高强度的外部激励作用下,阻尼器进入非线性状态,结构本身仍处于线性状态,将阻尼器产生的总恢复力视为施加在线性结构上的未知“附加虚拟力”,运用未知激励下的卡尔曼滤波方法识别阻尼器产生的总恢复力。当外部激励未知,提出的方法还可以同时识别出未知外激励。所提出的方法仅观测部分自由度的响应。本论文第四章提出对于部分构件有损或屈服导致结构进入非线性状态,结构无模型非线性特性的识别方法。基本思路如下:首先,在强度较低的外部激励作用下,结构未发生损伤,处于线性状态,运用扩展卡尔曼滤波方法或未知激励下的扩展卡尔曼滤波方法识别线性结构的线性刚度、阻尼参数;然后,结构在强激励作用下部分构件因发生损伤或屈服而进入非线性状态,运用他人提出的非线性单元定位方法,定位出非线性单元的位置;最后,将损伤或屈服的构件产生的非线性力视为作用在未损伤的线性结构上的未知“附加虚拟力”,运用广义未知激励下的卡尔曼滤波方法识别该未知力。当外部激励未知,提出的方法还可以同时识别出未知外激励。所提出的方法仅观测部分自由度的响应,且在非线性力作用位置观测或不观测加速度响应的条件下都适用。本论文第五章将结构无模型非线性特性的识别方法与子结构方法相结合,应用于大型剪切框架的无模型非线性特性的识别。在小激励作用下,整体结构为线性结构,将整体结构划分为若干个线性子结构,将各子结构的边界力视为作用在该子结构上的未知输入,运用广义未知激励下的扩展卡尔曼滤波方法并行识别各个子结构的线性刚度、阻尼参数,从而得到整个结构的线性刚度、阻尼参数。在强激励作用下,整体结构局部进入非线性。对整体结构运用他人提出的非线性单元定位方法,定位出非线性单元的位置。将非线性单元划分至目标子结构中,将非线性构件产生的非线性力、目标子结构的边界力视为作用在线性目标子结构上的“附加虚拟力”,运用广义未知激励下的卡尔曼滤波方法识别这些未知力。同样,当外部激励未知,提出的方法还可以同时识别出未知外激励。所提出的方法仅观测部分自由度的响应。本文第六章对论文的主要工作、得到的结论以及论文创新点进行了总结,并对下一步研究内容进行了展望。